柔性电路：可通过3D打印制造！

背景

柔性电子，是近年来非常热门的一项新兴技术。不同于传统电子器件给我们带来的僵硬呆板的印象，柔性电子产品能在一定范围的形变（弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸）条件下正常工作。

目前，柔性电子已经成为交叉学科中的研究热点之一，它涵盖有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等领域，其产品包括RFID、柔性显示、OLED显示与照明、柔性传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储器件、柔性电池、可穿戴设备、电子皮肤等。

图片来源：柔性太阳能电池（由Epishine AB提供）、电子纸、压电织物

创新

近日，德国汉堡大学与德国电子同步加速器研究所（DESY）的合作开发了一项适合3D打印技术的工艺，它可以用于制造透明并具有机械柔性的电子电路。这些电子器件由银纳米线网络组成，这些银纳米线可以悬浮地打印，并嵌入到各种柔性和透明塑料（聚合物）中。

根据汉堡大学托姆克·格勒（Tomke Glier）以及她的同事们在《科学报告（Scientific Report）》期刊上的报道，这项技术可以开启新的应用，例如打印发光二极管、太阳能电池或者具有集成电路的工具。目前，研究人员们正在演示他们的工艺在制造柔性电容以及其他产品方面的潜力。

技术

来自DESY、汉堡大学、马克斯·普朗克学会联合打造的自由电子激光科学中心（CFEL）的米歇尔·吕布豪森（Michael Rübhausen）表示：“这项研究的目标在于为不同的应用设计可3D打印的聚合物。通过我们的新方案，我们想要将电子器件集成到现有的结构单元中，并改进元器件的体积与重量。”

这位汉堡大学物理系教授与DESY研究员、位于斯德哥尔摩的瑞典摩皇家理工学院教授史蒂文·罗斯（Stephan Roth）一起领导了这个项目。采用来自DESY研究光源PETRA III的明亮光线以及其他的测量方法，团队精准地分析了聚合物中纳米线的特性。

格勒解释道：“这项技术的核心就是银纳米线，它形成了导电网络。”一般来说，银线的厚度为几十纳米，长度为10到20微米。详细的X光分析表明，聚合物中纳米线的结构并没有发生变化，但是网格的导电性由于聚合物的挤压而得到了提升，因为聚合物在固化过程中产生了收缩。

银纳米线悬浮地施加到基底上并且变干。DESY X射线光源PETRA III的P03测量站（X射线研究发生的地方）的领头人罗斯解释道：“由于成本因素，目标就是以尽可能少的纳米线实现最高的导电性。这也将提升材料的透明度。他们通过这种方式，一层接一层地制造出导电路径或者表面。”柔性聚合物被施加到导电轨迹上，然后它会被导电轨迹和接触覆盖。根据几何形状和使用的材料，各种导电元件都可以通过这种方式印刷。

在这篇论文中，研究人员们制造了一个柔性电容。格勒解释道：“在实验室中，我们展开了分层工艺中的单独工作步骤，但是实际上他们之后会被完全转移至3D打印机。”吕布豪森表示：“然而，传统的3D打印技术通常为了单独的印刷墨水进行优化。为此，进一步开发传统的3D打印技术也很有必要。在基于喷墨的工艺中，打印喷嘴会被纳米结构阻塞。”

未来

下一步，研究人员们想要测试由纳米线组成的导电路径结构如何在机械压力下产生改变。针对这个问题，罗斯表示：“在弯曲时，这些网络能在一起保持得多好？聚合物能够保持得多稳定？X射线非常适合于研究这些问题，因为它是我们深入研究材料并且分析导电路径与纳米线表面的唯一途径。”

参考资料

【1】Tomke E. Glier, Lewis Akinsinde, Malwin Paufler, Ferdinand Otto, Maryam Hashemi, Lukas Grote, Lukas Daams, Gerd Neuber, Benjamin Grimm-Lebsanft, Florian Biebl, Dieter Rukser, Milena Lippmann, Wiebke Ohm, Matthias Schwartzkopf, Calvin J. Brett, Toru Matsuyama, Stephan V. Roth, Michael Rübhausen. Functional Printing of Conductive Silver-Nanowire Photopolymer Composites. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-019-42841-3

【2】https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1623&two_columns=1